JP2010019143A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気ポート内を隔壁で分割した場合において、空気又は混合気と排気ガスとの更に好適な成層化を得る。
【解決手段】吸気ポート１１のうち、可動隔壁１６を挟んでＥＧＲ通路１４のＥＧＲバルブ１５を含む分割領域１１ａが空気制御弁を有しないので、分割領域１１ａ，１１ｂ間に顕著な圧力差が生じず、分割領域１１ｂからの空気が燃焼室５内で分割領域１１ａ側に回り込む作用が抑制される。可動隔壁１６が、ＥＧＲ通路１４のＥＧＲバルブ１５に対し近接及び離間する方向に可動とされているので、運転条件に応じて可動隔壁１６の位置を変更することで、分割領域１１ａ，１１ｂ間の更に良好な成層化を得ることが可能になる。
【選択図】図２

Description

本発明は、吸気ポートに接続してＥＧＲガスを供給するＥＧＲ通路と、吸気ポートの長手方向に延び当該吸気ポート内を分割する隔壁と、を有する内燃機関に関する。

理論混合比の空気と燃料のみをシリンダ内で燃焼させる従来の方法に対して、排気ガスを空気又は混合気に混入させる排気ガス再循環（Exhaust Gas Recirculation; ＥＧＲ）が広く行われている。ＥＧＲによれば、例えば、排気ガスを空気又は混合気に混入させて、吸気絞りに起因するポンピングロスを低減させ、燃料消費率改善によってＣＯ₂を低減することができる。

しかし、ＥＧＲによって混入される排気ガス（ＥＧＲガス）の占める割合が可燃限界を上回ると燃焼が不安定になる。そこで、ＥＧＲに伴う燃焼の悪化を抑制するために、空気又は混合気と排気ガスとを層状に存在させ、空気又は混合気の部分に点火する方法が提案されている。このような成層化を実現するために、特許文献１が開示する装置は、吸気ポート内に隔壁を設けると共に、ＥＧＲ通路が接続されていない方の通路の上流側端部に空気制御弁を設けて流量を減少させ、スワールを減少させることで成層化を促進している。

特開２００２−１０６４１９号公報

しかしながら、特許文献１の構造では、成層化が良好に達成されない場合がある。例えば、隔壁で分割された複数の分割領域のうちの空気制御弁で閉塞された一部の分割領域の下流側は、空気制御弁のない他の分割領域の下流側に比べ、相対的に圧力が低くなる。このため、燃焼室内で後者から前者へと空気が回り込むことになり、好適な成層化が得られない。

そこで本発明の目的は、吸気ポート内を隔壁で分割した場合において、空気又は混合気と排気ガスとの更に好適な成層化を得ることにある。

第１の本発明に係る内燃機関は、吸気ポートに接続してＥＧＲガスを供給するＥＧＲ通路と、吸気ポートの長手方向に延び、前記吸気ポート内を、前記ＥＧＲ通路の開口部を含む領域と前記開口部を含まない領域とに分割する隔壁と、を有する内燃機関において、前記隔壁が、前記ＥＧＲ通路の開口部に対し近接及び離間する方向に可動とされていることを特徴とする。

第１の本発明では、隔壁が、ＥＧＲ通路の開口部に対し近接及び離間する方向に可動とされているので、運転条件に応じて隔壁の位置を変更することで、吸気ポート内を隔壁で分割した場合における分割領域間の更に良好な成層化を得ることが可能になる。

本発明では、隔壁の位置をＥＧＲ率に応じて制御する隔壁制御手段を備えるのが特に好適である。具体的には、ＥＧＲ率が高い場合ほど隔壁をＥＧＲ通路の開口部から離間するように制御することにより、ＥＧＲ通路が開口している分割領域と他の分割領域との圧力差を抑制することができる。

さらに、隔壁制御手段は、ＥＧＲガス中の未燃成分含有率が高くなる所定の運転条件下で、隔壁をＥＧＲ通路の開口部から離間する方向に制御するのが好適である。ＥＧＲガス中の未燃成分含有率が高い場合には、未燃成分に起因して望まれないデポジットが吸気通路に発生するおそれが大きいが、当該構成によれば、吸気弁が閉じている間におけるＥＧＲ通路が開口している分割領域の容積が大きいため、隔壁の上流側を越えるＥＧＲガスの逆流を抑制でき、これによって吸気通路におけるデポジットの発生を抑制できる。

また、隔壁制御手段は、筒内吸気の均質化が要請される所定の運転条件下で、隔壁をＥＧＲ通路の開口部に近接する方向に制御するのが好適である。この場合には逆に、吸気弁が閉じている間におけるＥＧＲ通路が開口している分割領域の容積が小さいため、隔壁の上流側を越える排ガスの逆流が促進され、これによって筒内吸気の均質化を促進することができる。

本発明では更に、燃焼室内における前記ＥＧＲ通路からのＥＧＲガスの経路に対する距離を異にして配置された複数の点火プラグと、隔壁の位置に応じて前記複数の点火プラグのうちから一部の点火プラグを選択する点火制御手段を更に備えてもよい。この場合には、隔壁がＥＧＲ通路から退避した位置にある場合に、ＥＧＲ通路から遠くにある点火プラグを選択することにより、点火点を空気が存在する領域の中心により近付けることができ、燃焼を改善することができる。

本発明の実施形態について、以下に図面に従って説明する。図１において、第１実施形態に係るエンジン１は、例えば燃焼室内に直接ガソリン燃料を噴射する筒内直噴式ガソリン内燃機関である。エンジン１は複数のシリンダを有するが、以下の実施形態では１つのシリンダのみについて説明する。エンジン１はシリンダ２及びシリンダヘッド３を有し、シリンダ２内にはピストン４が上下動可能に配置されている。シリンダヘッド３下面とピストン４頂面とに画成される燃焼室５には、吸気バルブ６、排気バルブ７、点火プラグ８及び燃料噴射弁９が配置されている。

図２に示されるように、エンジン１は単一のシリンダにつき２つの吸気ポート１１，１２及び２つの排気ポート２１，２２を有する。第１の吸気ポート１１には、排気ポート２１からのＥＧＲガスを供給するＥＧＲ通路１４が接続されている。ＥＧＲ通路１４は、これを開閉するためのＥＧＲバルブ１５を有する。

このＥＧＲ通路１４が接続されている第１の吸気ポート１１内には、可動隔壁１６が配置されている。可動隔壁１６は概ね平坦であって、吸気ポート１１の長手方向に延び、かつ吸気ポート１１内を、ＥＧＲ通路１４の開口部であるＥＧＲバルブ１５を含む分割領域１１ａと、このＥＧＲバルブ１５を含まない分割領域１１ｂとに分割する。

図３に示されるように、可動隔壁１６は、本体１６ａと軸部１６ｂとを有する。軸部１６ｂはアクチュエータ１７によって駆動され、これによって可動隔壁１６は、角度範囲ａ内で旋回可能とされている。また第１の吸気ポート１１の断面形状は全体として円形であるが、角度範囲ａ内の領域では軸部１６ｂを中心とする弧状とされており、これによって可動隔壁１６の先端部と第１の吸気ポート１１の内壁との間隙が、可動隔壁１６の旋回位置の全域において一定とされている。

ＥＧＲバルブ１５及びアクチュエータ１７を制御するために、電子制御ユニット（以下ＥＣＵ）３０が設けられている。ＥＣＵ３０は周知のワンチップマイクロプロセッサであり、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、不揮発性記憶装置、入出力インターフェイス、及びこれらを相互に接続するデータバスを有する。ＥＣＵ３０には、エンジン１の運転条件を示すパラメータとして、エンジンの回転数Ｎｅ、負荷代表値としての目標燃料噴射量Ｔｐ、冷却水温センサからの冷却水温Ｔｗ、およびエアフローメータからの吸入空気量Ｇａが入力される。ＥＣＵ３０はこれらのパラメータに基づいて所定の演算を行い、不図示の駆動回路を介して、ＥＧＲバルブ１５の開度とアクチュエータ１７の回動角度とを制御する。

以上のとおり構成された第１実施形態の動作について説明する。排気ポート２１からの排気ガスの一部が、ＥＧＲガスとして、ＥＧＲ通路１４からＥＧＲバルブ１５を介して吸気ポート１１に導入されると、吸気ポート１１は可動隔壁１６によって仕切られているので、ＥＧＲガスは分割領域１１ａを通じて燃焼室５に流入する。

ここで、吸気ポート１１は、可動隔壁１６を挟んでＥＧＲバルブ１５を含む分割領域１１ａと、ＥＧＲバルブ１５を含まない分割領域１１ｂとを有し、且つ従来技術におけるような空気制御弁を有しないので、分割領域１１ａ，１１ｂ間に顕著な圧力差が生じない。このため、分割領域１１ｂからの空気が燃焼室５内で分割領域１１ａ側に回り込む作用が抑制され、これによってＥＧＲガス３１と空気３２との成層化を良好に達成することができる。

また、本実施形態では、可動隔壁１６が、ＥＧＲ通路１４のＥＧＲバルブ１５に対し近接及び離間する方向に可動とされているので、運転条件に応じて可動隔壁１６の位置を変更することで、分割領域１１ａ，１１ｂ間の更に良好な成層化を得ることが可能になる。

本実施形態では、ＥＣＵ３０の制御により、可動隔壁１６の位置を、ＥＧＲ率に応じて制御することができる。具体的には、例えば、ＥＧＲ率が高い場合ほど、可動隔壁１６をＥＧＲ通路１４のＥＧＲバルブ１５から離間するように制御する。この場合には、ＥＧＲ通路１４が開口している分割領域１１ａと他の分割領域１１ｂとの圧力差を抑制することができる。なお、ここにいうＥＧＲ率は、例えば、ＥＧＲガス量が吸入空気量Ｇａに対してなす比と定義することができる。

さらに、ＥＣＵ３０は、ＥＧＲガス中の未燃成分含有率が高くなる所定の運転条件下で、図４に示されるように、可動隔壁１６を制御して、ＥＧＲ通路１４のＥＧＲバルブ１５から離間する方向に移動させるのが好適である。この場合の所定の運転条件は、例えばエンジン水温Ｔｗが所定値以下であることとすることができ、またエンジン水温Ｔｗが低いほど、ＥＧＲバルブ１５から離間する方向の可動隔壁１６の移動量を大きくしてもよい。ＥＧＲガス中の未燃成分含有率が高い場合には、未燃成分に起因して望まれないデポジットが吸気通路に発生するおそれが大きいが、当該構成によれば、吸気バルブ６が閉じている間における分割領域１１ａの容積が大きいため、可動隔壁１６の上流側を越えてＥＧＲガスが言わば溢れ出すような態様（矢印Ｂ）のＥＧＲガスの逆流を抑制でき、これによって吸気通路におけるデポジットの発生を抑制できる。

また、ＥＣＵ３０は、筒内吸気の均質化が要請される所定の運転条件下で、可動隔壁１６をＥＧＲ通路１４のＥＧＲバルブ１５に近接する方向に制御するのが好適である。この場合の所定の運転条件は、例えばＮＯｘの減少が要請されるモード内高負荷運転時とすることができ、負荷代表値として目標燃料噴射量Ｔｐ又は吸入空気量Ｇａを用いることができる。また、負荷が高いほど、ＥＧＲバルブ１５に近接する方向の可動隔壁１６の移動量を大きくしてもよい。この場合には逆に、吸気バルブ６が閉じている間における分割領域１１ａの容積が小さいため、隔壁の上流側を越えてＥＧＲガスが言わば溢れ出すような態様（矢印Ｂ）のＥＧＲガスの逆流が促進され、これによって筒内吸気の均質化を促進して、高負荷運転時などのＮＯｘを抑制することができる。

可動隔壁及び吸気ポートは、任意の他の構成とすることができる。例えば、図６に示されるように、吸気ポート１１１，１１２を有する場合において、可動隔壁１１６が内部に設けられている吸気ポート１１１は、内周における互いに対向する２部分（領域Ｃ内）に互いに平行な平面部を有し、可動隔壁１１６が領域Ｃ内を往復動可能にされている。可動隔壁１１６は、上述した可動隔壁１６の本体１６ａと同様の輪郭を有すると共に、直動型のアクチュエータ１１７のアーム１１７ａに固定されている。可動隔壁１１６の両縁部と第１の吸気ポート１１１の内壁との間隙は、可動隔壁１６の移動位置の全域において一定となっている。アクチュエータ１１７はＥＣＵ３０によって駆動され、上述した可動隔壁１６と同様に、可動隔壁１１６を挟んでＥＧＲバルブ１５を含む分割領域１１１ａと、ＥＧＲバルブ１５を含まない分割領域１１１ｂとの割合を可変する。以上の構成によっても、上記可動隔壁１６と同様の効果を得ることができる。

本実施形態では、単一の燃焼室５について複数の点火プラグ８を用いることができる。例えば、図７に示されるように、燃焼室５内におけるＥＧＲ通路からのＥＧＲガス３１の経路に対する距離を異にして、複数の点火プラグ８ａ，８ｂを配置する。不図示のＥＣＵは、可動隔壁１６又は１１６の位置に応じて、複数の点火プラグ８ａ，８ｂのうちから一部の点火プラグを選択して点火する。この場合には、図４のように可動隔壁１６又は１１６がＥＧＲバルブ１５から退避した位置にある場合に、図８のようにＥＧＲバルブ１５から遠くにある点火プラグ８ｂを選択し、また図５のように可動隔壁１６又は１１６がＥＧＲバルブ１５に近接した位置にある場合に、図７のようにＥＧＲバルブ１５から遠くにある点火プラグ８ｂを選択する、というように、ＥＧＲ率に応じて点火プラグを選択することにより、点火点を空気３２が存在する領域の中心により近付けることができ、燃焼を改善することができる。なお点火プラグは３個以上であってもよく、その場合には選択される点火プラグは複数であってもよい。

なお、上記実施形態では単一のシリンダ２につき複数の吸気ポート１１，１２を用い、それらのうち一つの吸気ポート１１に可動隔壁１６又は１１６を配置したが、本発明は単一のシリンダに単一の吸気ポートを用いる構造にも適用でき、また、複数の吸気ポートのうち一部又は全部の吸気ポートに可動隔壁を配置してもよい。また、上記実施形態ではＥＧＲ通路１４を排気ポート２１から分岐させたが、ターボチャージャを有するエンジンの場合には、ＥＧＲ通路は排気通路におけるタービンの下流側から分岐させてもよい。また、ＥＧＲバルブはＥＧＲ通路１４の中途に設けてもよい。

また、上記実施形態および各変形例では、本発明を筒内直噴式のガソリンエンジンに適用した例について説明したが、本発明は吸気ポート内に燃料を噴射するポート噴射式のエンジンや、ディーゼルエンジン、キャブレタ式のエンジン、気体燃料を用いるエンジンなど、各種の内燃機関に広く適用することが可能である。

本発明の実施形態に係る内燃機関の概略構成を示す正面図である。 実施形態に係る内燃機関の要部を示す平面図である。 図２のＡ方向からみた吸気ポート及び可動隔壁を概略的に示す断面図である。 可動隔壁がＥＧＲ通路の開口部に対し離間している状態を示す平面図である。 可動隔壁がＥＧＲ通路の開口部に近接している状態を示す平面図である。 可動隔壁の別の構成例を概略的に示す断面図である。 燃焼室における複数の点火プラグの配置を示す平面図である。 燃焼室における複数の点火プラグの配置を示す平面図である。

符号の説明

１ エンジン
５ 燃焼室
６ 吸気バルブ
７ 排気バルブ
８（８ａ，８ｂ） 点火プラグ
９ 燃料噴射弁
１１，１２，１１１，１１２ 吸気ポート
１１ａ，１１ｂ 分割領域
１４ ＥＧＲ通路
１５ ＥＧＲバルブ
１６，１１６ 可動隔壁
１７，１１７ アクチュエータ
２１，２２ 排気ポート
３０ ＥＣＵ
３１ ＥＧＲガス
３２ 空気

Claims (5)

1. 吸気ポートに接続してＥＧＲガスを供給するＥＧＲ通路と、吸気ポートの長手方向に延び、前記吸気ポート内を、前記ＥＧＲ通路の開口部を含む領域と前記開口部を含まない領域とに分割する隔壁と、を有する内燃機関において、
   前記隔壁が、前記ＥＧＲ通路の開口部に対し近接及び離間する方向に可動とされていることを特徴とする内燃機関。
2. 請求項１に記載の内燃機関であって、
   前記隔壁の位置をＥＧＲ率に応じて制御する隔壁制御手段を備えたことを特徴とする内燃機関。
3. 請求項２に記載の内燃機関であって、
   前記隔壁制御手段は、ＥＧＲガス中の未燃成分含有率が高くなる所定の運転条件下で、前記隔壁をＥＧＲ通路の開口部から離間する方向に制御することを特徴とする内燃機関。
4. 請求項２又は３に記載の内燃機関であって、
   前記隔壁制御手段は、筒内吸気の均質化が要請される所定の運転条件下で、前記隔壁をＥＧＲ通路の開口部に近接する方向に制御することを特徴とする内燃機関。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の内燃機関であって、
   燃焼室内における前記ＥＧＲ通路からのＥＧＲガスの経路に対する距離を異にして配置された複数の点火プラグと、
   前記隔壁の位置に応じて前記複数の点火プラグのうちから一部の点火プラグを選択する点火制御手段と、
   を更に備えたことを特徴とする内燃機関。

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